Новый фактор, влияющий на желеобразование пектиновых полисахаридов

DOI:

For cite

Пектиновые полисахариды широко используются как функциональные пищевые добавки в лечебно-профилактических целях в медицине, в качестве студнеобразователя, стабилизатора и эмульгатора в производстве кондитерских изделий (мармелада, зефира) и молочных продуктов (молочных десертов, йогуртов, мороженого, и т.п.). Растущий спрос на продукты питания с пониженным содержанием сахара направляет пищевую промышленность развивать здоровые продукты, не затрагивая текстуру и органолептические свойства изделий [1]. Основные звенья пектиновых полисахаридов представлены в виде α-(1-4)-гликозидных связей D-галактуроновой кислоты, в которых некоторые карбоксильные группы могут быть замещены метиловым эфиром или амидными группами.

Высокометилированные пектины, с более чем 50 % этерифицированных карбоксильных групп, образуют гели в основном за счет гидрофобных взаимодействий и водородных связей при рН ⩽ 3.5 и в присутствии более 55 % сахаров. Низкометилированные пектины, имеющие менее 50 % этерифицированных карбоксильных групп, часто используются при приготовлении продуктов с низким содержанием сахара и в присутствии Ca 2+ .

Для каждого типа пектина необходим подбор соответствующих условий при изготовлении желейных изделий, потому что они проявляют различные свойства в зависимости от источника получения, способа выделения и очистки, степени этерификации карбоксильных групп, молекулярной массы, а также от формы и свойств отдельных макромолекул в растворе.

Низкометилированные пектины, с их способностью к гелеобразованию с низким содержанием сахаров, являются новыми профилактическими продуктами для профилактики многих заболеваний. Гелеобразование низ-кометилированного пектина происходит в широком диапазоне значений рН и ионов Ca2+, что является важным фактором их использования. Распределение свободных и этерифи-цированных карбоксильных групп в пектиновых полисахаридов влияет на силу связывания ионов Ca 2+ и на функциональность высокоме-тилированных и низкометилированных гелей.

Пектиновые полисахариды могут образовывать агрегаты даже в разбавленных растворах и при высоких температурах, поэтому знание молекулярных параметров пектиновых полисахаридов существенно облегчает выяснение роли физико-химических параметров и гидродинамического поведения этих биополимеров при исследовании процесса гелеобразования [2].

В данной работе проводилось сравнительное изучение влияния степени агрегации пектинов различного происхождения на их студнеобразующие свойства. Пектиновые экстракты были получены из стеблей и листьев ревеня скального (РП), апельсиновых корок (АП), айвовых (АйП), абрикосовых (АбП), персиковых (ПрП) и яблочных выжимок из центральных (Варзоб – ЯП (В), Файзабада – ЯП (Ф) и южных регионов (Муминабад – ЯП (М)) Республики Таджикистан. Гидролиз проводился двумя методами: традиционным (Т=850 С, рН 1.5-1.8 и при 60-120 мин) и новым способом в автоклаве при температуре 100-1200 С, рН 2.0, продолжительность процесса варьирует для соответствующего сырья от 3-х до 10 мин [3]. Очистка экстракта от механических загрязнений проводилась грубой фильтрацией и центрифугированием, затем подвергался диаультрафильтрации с последующим концентрированием на одной и той же установке. Выделенные пектины сушились в термостате с продувом воздуха при температуре 400 С. Проведено сравнение студнеобразующей способности низкометилированных пектинов, полученных в данной работе с коммерческим пектином марки LM12-CG компании CP Kelco (США).

Содержание звеньев галактуроновой кислоты в пектиновых веществах и степень их этерификации определяли известными методами. Методом эксклюзионной жидкостной хроматографии были определены среднемассовая (M w ), среднечисленная (M n ), z-средняя молекулярная масса (M z ) и показатель полидисперсности (M w /M n ), а расчет молекулярных масс и гидродинамических параметров: характеристическая вязкость [ η w ], и радиус инерции Rh (w) , с помощью программного обеспечения ASTRA 5.3.4.13 (Wyatt Technology) и Breez (Waters) [4]. Колонки эксклюзионного жидкостного хроматографа были калиброваны с использованием молекулярных стандартов Пуллулана (Showa Denko K.K., Japan).

Желе для пектинов готовили по стандартной методике, где значения прочности гелей пектиновых образцов в присутствии сахаров и винной кислоты (рН 3.2), были проверены методом Тарр-Бейкера на приборе, приведенном на рисунке 1, принцип работы которого описан в стандартном методе [5].

Стандартным студнем по Тарр-Бейкеру, считается желе, содержащее 65% сахаров, оптимальное количество винной кислоты и имеющий такое количество пектина, чтобы прочность его на разрыв по прибору Тарр-Бейкера соответствовала 50 см столба четыреххлористого углерода. Число градусов по Тарр-Бейкеру показывает, ка- кое количество сахара (в г) связывает 1 г данного пектина с образованием стандартного студня. Согласно данным [6] степень замещения водорода у карбоксильных групп определяет характер взаимодействия в концентрированных растворах пектина. У высокометилированных пектинов межмолекулярные взаимодействия происходят посредством водородных и гидрофобных связей, в то время как у низкометилированных пектинов с участием водородных и ионных, т.е. поперечных связей ионов двухвалентных металлов.

Результаты исследования студнеобразова-ния для различных высокометилированных пектинов представлены в таблице 1. Исследуемые образцы пектиновых полисахаридов отличались по содержанию галактуроновой кислоты, степени этерификации, молекулярной массы и гидродинамическим свойствам в растворе. При оценке качества студней, приготовленных на их основе, следует учитывать, что высокометилированные пектины отличались, кроме источника сырья, еще и способом гидролиза и очистки.

Рисунок 1. Прибор Тарр-Бейкер для определения прочности геля: 1- стеклянный поршень; 2,3- склянки для воды; 4- шкала измерения давления (внутренний диаметр стеклянной трубки - 8 мм.

Т а б л и ц а 1

Влияние способа очистки на основные параметры и прочность студня высокометилированных пектинов

Пектины	ГК, %	СЭ, %	М w е-3, KД	M z е-3, KД	n w, мл/г	Rh (w), нм	ПГ, 0ТБ
ЯП (В)85-60-2С*	64.8	77.5	260.0	1305	335.0	19.6	215
ЯП(Ф)85 -60-2.0С	49.8	71.5	120.0	513	140.0	11.6	160
ЯП(Ф)120 -7-2.0М	64.8	81.4	118.0	899	161.2	11.9	169
ЯП(Ф)100 -7-2.0М	67.2	82.5	165.7	771	148.8	13.5	174
АП120-10-2.0 М	54.6	84.3	115.0	641	115.0	10.7	172
ПрП 85-60-2С	65.3	94.0	350.0	4975	420.0	22.3	190

*Цифры после буквенных обозначений указывают: температуру, продолжительность времени и значение рН гидролиза; Последняя буква в шифрах указывает на способ выделения и очистку пектина: С - спиртовое перео-саждение; М- мембранная ультрафильтрация.

Высокие показатели прочности геля среди высокометилированных пектинов обнаружены у яблочного - ЯП (В), ЯП (Ф)100-7, персикового, и очищенного апельсинового АП 12010-2М пектинов, полученных новым способом. Уменьшение температуры гидролиза у яблочного пектина (Файзабад) при экстракции новым способом и очистке раствора гидролизата на ультрафильтрационной мембране, по сравнению с таким же пектином, полученным традиционным способом, привело к заметному возрастанию молекулярных и гидродинамических параметров (M w , ⁿ w , Rh( w )). Это способствовало возрастанию прочности геля от 160⁰ по Тарр-Бейкеру до значения 174⁰ по Тарр-Бейкеру.

Высокий показатель прочности геля наблюдался у яблок, произрастающих в долине Варзоба, даже при применении традици- онного метода он формировал прочный гель. Яблочный высокометилированный пектин, полученный традиционным способом из яблок Файзабадского района Республики Таджикистан и образец, экстрагированный флэш-гидролизом при температуре 1200С в течение 7 мин, не дали соответствующий гель, что по показателю прочности студней не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ним при использовании в пищевой промышленности.

Представленный способ оценки прочности студней разработан для высокометилированных пектинов в присутствии 60 % сахаров. Эта методика получения студня с некоторыми модификациями, была применена для определения влияния изученных параметров и для оценки влияния способа гидролиза и очистки на прочность геля низ-кометилированных пектинов.

С целью выявления влияния исходных характеристик низкометилированных пектинов на прочность геля, при приготовлении студня по выше описанной методике, нами, были использованы ионы кальция, вместо винной кислоты, а студни получали при значении рН 4.0. Количество ионов кальция брали из расчета 25-40 мг на 1 г пектина, в области эквимолярных соотношений ионов кальция и карбоксильных групп, найденных для низко-метилированных пектинов.

Наибольшие значения прочности геля, приведенные в таблице 2, имеют цитрусовые коммерческие пектины (LM12-CG, CP Kelco США) и яблочный пектин, полученный из яблочных выжимок Муминабадского района

Республики Таджикистан ЯП (М) 120, экстрагированного и очищенного новым способом. Студни из низкометилированных пектинов подсолнечника, ревеня скального и айвы не соответствовали значению прочности, необходимого для их стандартизации по ГОСТу, хотя последние два пектина имели высокие значения средней молекулярной массы и гидродинамических параметров.

Такие аномальные явления у разных образцов пектинов создают некоторые трудности для потребителей пектинов при оценке качества пектинов по известным параметрам: содержанию галактуроновой кислоты, степени этерификации и значения молекулярной массы.

Т а б л и ц а 2

Влияние способа очистки на основные параметры и прочность геля низкометилированных пектинов

Пектины	ГК, %	СЭ, %	М w е-3, KД	M z е-3, KД	η w, мл/г	Rh (w), нм	ПГ, 0ТБ
ПП85-60-1.5 С	74.0	26.6	49.2	154	29.5	5.4	125
ПП120-7-2.0 М	76.0	32.0	58.0	181	34.5	6.3	167
LM 12-CG	69.0	32.0	136.0	596	180.0	14.0	192
РП-120-10-2.0 С	85.2	40.2	152.0	1633	182.0	14.2	168
ЯП(М)85-60-1.8	68.0	52.4	134.0	1133	148.6	13.3	172
ЯП(М)120-5 -2	73.5	53.7	199.0	5673	115.3	12.3	180
ЯП(М)120-10 -2 М	79.0	52.2	193.0	2820	132.0	12.1	183
Айв.П85 -60-2.0 С	66.0	58.2	188.0	12030	205.5	13.7	153

При сравнительной оценке данных, представленных в таблицах 1 и 2, нами обнаружена четкая закономерность влияния молекулярной массы или гидродинамических параметров как для высокометилированных пектинов, так и для низкометилированных пектинов, выделенных из различных источников, на прочность геля. Высокие значения молекулярной массы, характеристической вязкости и радиуса инерции пектинов могут значительно усилить прочность геля, в то же время нами выявлено, что значение M z противоположно влияет на прочность геля.

В результате систематического анализа данного параметра и его отношения к среднему молекулярному весу обнаружено, что действительно отношение M z /М w для пектинов является важным параметром для оценки качества пектина при студнеобразовании.

Приведённые данные в таблице 3 показывают повышение прочности студней с уменьшением Mz/Мw и этот факт четко демонстрирует взаимосвязь прочности геля с этим отношением: чем выше отношение Mz/Мw, тем слабее прочность геля, образованного обоими видами пектинов, независимо от значения молекулярной массы. По этому показателю наблюдается относительно слабое гелеобразование у пектина айвы, ревеня скального и персика, независимо от их высокого молекулярного веса.

Значение M z полимеров показывает степень агрегации макромолекулы [7] и что пектины, даже в разбавленных растворах, образуют агрегаты посредством водородных связей. Пектиновые макромолекулы, особенно низкомети-лированные пектины, могут находиться в агрегированном состоянии при высоких температурах [2]. Выше приведенный аргумент хорошо согласуется со свойствами студней пектинов, выделенных из айвы и ревеня скального с высоким значением молекулярной массы, и не способны к образованию прочных студней, по сравнению с пектинами из яблок и цитруса, с относительно низким значением молекулярной массы.

Склонность к агрегации этих пектинов может привести к преждевременному гелеобразованию, что, в конечном итоге, нарушает целостную структуру геля, независимо от механизма его формирования.

Т а б л и ц а 3

Влияние отношения M z /М w на прочность пектиновых гелей

Пектины	АГК, %	СЭ, %	М w е-3, KД	M z е-3, KД	M z /М w,	ПГ, 0ТБ
Айв.П85 -60-2.0 С	66.0	58.2	188	12030	63.99	153
РП-120-7-2.0 С	85.2	40.2	152	2433	16.01	168
ЯП(М)85-60-1.8	68.0	52.4	134	2133	15.92	172
ЯП(М)120-5 -2	73.5	53.7	199	2673	13.43	180
ЯП(М)120-10 -2 М	79.0	52.2	193	2820	14.61	183
ПрП 85-60-2С	65.3	94.0	350	4975	14.21	190
LM 12-CG	69.0	32.0	136	596	4.38	192
ЯП (В)85-60-2С*	64.8	77.5	260	1305	5.02	215

Результаты данной работы показывают, что при оценке качества студней необходимо принимать во внимание отношение M z /М w , указывающего на степень агрегации молекул, препятствующей формированию студней независимо от природы пектина. Представленные